Atmospheric channel model for QKD over satellite megaconstellations

يعتمد حلم الإنترنت الكمي العالمي على وعد هش: إرسال جسيمات فردية من الضوء، تحمل رموزاً غير قابلة للكسر، من الأرض إلى قمر صناعي ثم العودة مرة أخرى. وخلافاً للإشارات القوية التي تنتقل عبر كابلات الألياف الضوئية المدفونة تحت الأرض، فإن هذه الإشارات الكمية حساسة للغاية. فبينما تسافر عبر الهواء، تواجه سلسلة من التحديات؛ فالغلاف الجوي ليس فضاءً فارغاً، بل هو سائل مضطرب ومتغير مليء بجزيئات الغاز وذرات الغبار الدقيقة التي يمكن أن تشتت الفوتونات الثمينة أو تمتصها. علاوة على ذلك، تتغير كثافة الهواء مع الارتفاع، مما يؤدي إلى ثني مسار الضوء بطرق لا يمكن التنبؤ بها. وإذا فُقد حتى فوتون واحد أو اختلت حالته الكمية الدقيقة، فإن الاتصال يفشل. وبالنسبة للعلماء الذين يأملون في بناء شبكة عالمية للاتصالات الآمنة، فإن فهم كيفية تعامل الغلاف الجوي بدقة مع حزم الضوء هذه هو الفارق بين نظام يعمل وتجربة فاشلة.

لقد تصدى باحثون في جامعة فيغو (Universidade de Vigo) لهذا التحدي من خلال بناء نموذج حاسوبي تفصيلي مفتوح المصدر يحاكي رحلة الضوء عبر السماء. ويركز عملهم على الظروف المحددة التي تواجهها حزمة الضوء أثناء انتقالها بين محطة أرضية وقمر صناعي، سواء كان هذا القمر يدور بالقرب من الأرض أو يستقر في موقع مرتفع وثابت. لم ينظر الفريق إلى الهواء ككتلة واحدة، بل قاموا بتفكيك الغلاف الجوي إلى طبقات، وحساب كيفية تغير درجة الحرارة والضغط وكثافة الغازات مع الارتفاع. كما أخذوا في الاعتبار كيفية امتصاص الهواء للضوء عند ألوان مختلفة، وكيف يتسبب اضطراب الطقب الشديد في انحراف الحزمة أو تشتتها. ومن خلال دمج هذه الحقائق الفيزيائية، أنشأوا أداة يمكنها التنبؤ بمقدار الضوء الذي سينجو من الرحلة ومقدار الطاقة المتبقية عند وصوله.

ولاختبار مدى نجاح نموذجهم، قارن الباحثون تنبؤاتهم بالبيانات الواقعية من مهمتين فضائيتين مختلفتين تماماً. أولاً، نظروا في القمر الصناعي "ميسيوس" (Micius)، وهو مركبة فضائية صينية نجحت في إثبات التواصل الكمي عبر آلاف الكيلومترات. كما فحصوا المواصفات الخاصة بمهمة أوروبية مخططة تسمى "هيساسات" (Hispasat)، والتي تهدف إلى وضع تقنية كمية على قمر صناعي أكبر بك كثيراً في مدار أعلى. أجرى الفريق عمليات المحاكاة باستخدام المعايير الدقيقة لهذه المهمات، بما في ذلك حجم التلسكوبات المستخدمة لإرسال واستقبال الضوء والألوان المحددة لليزر. ووجدوا أن نموذجهم يمكنه إعادة إنتاج خسائر الإشارة الملحوظة في تجارب "ميسيوس" بدقة، حيث توقع أن يمتص الغلاف الجوي ما بين ثلاثة إلى ثمانية ديسيبل من قدرة الإشارة، وهو رقم يتوافق بشكل وثيق مع ما تم قياسه فعلياً في الفضاء.

ومن أكثر النتائج إثارة للدهشة في الدراسة هو وجود ما يسميه المؤلفون "الجدار الجوي". فعندما يكون القمر الصناعي قريباً من الأفق، يجب أن تمر حزمة الضوء عبر شريحة أكثر سمكاً من الغلاف الجوي لتصل إلى الأرض. ويظهر النموذج أنه كلما انخفضت زاوية القمر الصناعي، زادت خسارة الإشارة بشكل كبير، لتصبح شديدة لدرجة تجعل الاتصال مستحيلاً. وهذا التأثير يكون قاسياً بشكل خاص على الأقمار الصناعية في المدارات المنخفضة عند النظر إليها من الأرض بزوايا ضحلة. ومع ذلك، كشف النموذج أيضاً أن إرسال إشارة من قمر صناعي إلى الأسفل غالباً ما يكون أكثر سهولة من إرسالها إلى الأعلى؛ لأن الحزمة تمر عبر الجزء الأكثر سمكاً من الغلاف الجوي لمسافة أقصر في طريقها للأسفل، مما يجعلها تحتفظ بمزيد من قوتها. ويشير هذا التباين إلى أن اتجاه الإرسال لا يقل أهمية عن المسافة في الشبكات المستقبلية.

كما طبق الباحثون نموذجهم على سيناريو افتراضي يتعلق بكوكبة "ستارلينك" (Starlink) العملاقة، وهي شبكة ضخمة تضم آلاف الأقمار الصناعية الصغيرة المستخدمة حالياً للوصول إلى الإنترنت. وتساءلوا عما إذا كان يمكن إعادة توظيف هذه الأقمار الحالية للاتصالات الكمية. كانت النتائج واقعية وصادمة؛ فبينما أكد النموذج أن الفيزياء تسمح بوجود مثل هذا الرابط، إلا أن المعدات المطلوبة يجب أن تكون أكثر دقة بكثير مما هو موجود حالياً على متنها. أظهرت عمليات المحاكاة أنه بدون ترقيات كبيرة في دقة التوجيه وحجم التلسكوبات، ستكون الإشارة ضعيفة جداً بحيث لا تكون مفيدة. وهذا لا يعني أن الفكرة مستحيلة، لكنه يسلط الض الضوء على أن مجرد إضافة التقنية الكمية إلى الأجهزة الموجودة ليس كافياً؛ بل يجب تصميم النظام بأكمله للتغلب على الحقائق القاسية المتمثلة في "الجدار الجوي".

في نهاية المطاف، يوفر هذا العمل خارطة طريق عملية للمهندسين المصممين للجيل القادم من الشبكات الكمية القائمة على الفضاء. فمن خلال تقديم صورة واضحة لكيفية تأثير الغلاف الجوي على الضوء عند ارتفاعات وزوايا مختلفة، يساعد النموذج المصممين على معرفة أين يضعون أقمارهم الصناعية وما نوع المعدات التي سيحتاجونها. إنه يؤكد أنه بينما يمثل الغلاف الجوي حاجزاً هائلاً، إلا أنه حاجز يمكن التنبؤ به. ومع الحسابات الصحيحة والمعدات المناسبة، يظل المسار نحو إنترنت كمي عالمي وآمن مفتوحاً، بشرط أن نحترم الحدود التي يفرضها الهواء الذي نتنفسه.